三峡电站厂房屋盖采用网架结构的研究

张铜生　龙志飞

摘要 三峡电站厂房屋盖采用空间网架结构，具有整体稳定好、刚度高、经济指标好等优点。在网架选型上，经比较，推荐正放四角锥、两边起坡网架形式。网架支承方式，采用“上、下弦铰支”可显著提高厂房的整体刚度。

关键词 三峡电站 厂房屋盖形式 网架结构

三峡水利枢纽是举世瞩目的跨世纪宏伟工程，新型的网架结构是三峡电站厂房屋盖的理想选择。

采用空间网架结构与原钢衍架方案比较有以下特点：

①网架屋盖结构的整体性好，使纵向刚度得到提高。

②网架结构与上、下游墙形成一个空间结构，在桥机垂直轮压和横向水平制动力作用下，厂房结构处于空间受力状态(桁架结构则处于单个桁架平面内局部受力状态)，因而可使轨顶变位减小，横向刚度增加。

③由于纵向和横向刚度得到加强，故改善了厂房结构的抗震性能。

④传力途径简捷，占用厂房高度小，适于大跨度、大柱距的屋盖结构。

⑤自重轻，网格不大，有利于选用较轻的屋面板材；由于屋盖自重减轻，支承结构费用相应降低，经济指标较好。

⑥杆件和节点定型生产、工厂制作，劳动生产率高，质量容易保证。

⑦建筑造型轻巧美观，可免去吊顶，便于厂房通风。

⑧国内已积累了丰富的制造、安装经验，已建成过上百m跨度的体育馆网架结构和大跨度工业厂房的网架结构。

1、网架结构的选型

1.1 三峡电站厂房结构的特点

(1)三峡工程关系到国计民生，子孙后代。因此，首先应保证电站厂房网架结构的安全可靠。

(2)本网架结构只在上、下游两边支承(不是四边支承)。力学上具有单向板受力性质，横向为主要受力构件，纵向为次要受力构件，屋盖整体又要有较好刚度。

(3)吊车水平制动力特大。两台起重量各为12000kN/2000kN的大桥机设在下层，两台起重量各为1000kN/320kN的小桥机设在上层。上、下游墙要通过屋盖体系形成整体。因此，要求水平力传力路线简捷合理。

网架结构的形式很多，根据以上特点首先排除了(a)各种抽空式网架，因这种结构水平力传力路线被截断，不能承受大的水平力；(b)各种斜交斜放、正交斜放式网架，因斜交网架传力路线远而且不直接，不利于水平力的传递。

鉴于以上理由，我们选择了四种网架形式进行对比:

方案一，两向正交正放平行弦网架；

方案二，正放四角锥网架；

方案三，正放四角锥空间指架梁；

方案四，正放四角锥起坡网架。

1.2 网架形式的选择

我们对四种选型方案在相同支承条件、相同屋面荷载作用下的内力和挠度进行了比较。四种方案均采用两侧下弦铰支，屋面荷载按5000N/m2均布荷载计算，并且将屋面均布荷载转换成节点的集中荷载。采用空间有限元法对网架结构进行分析计算。

网架杆件内力峰值及杆件内力分布的均匀程度，决定结构的受力反应优劣及用钢量多少；竖向挠度决定结构的竖向刚度。因此，我们选用峰值内力(+Pmax、-Pmax)及杆件内力分布的均匀程度、网架在荷载作用下的挠度(Dzmax)三项指标作对比。计算结果表明，正放四角锥起坡网架较为理想。两边起坡的正放四角锥网架平面心尺寸为36.30m×37.80m，上、下弦网格尺寸均为3.30m×3.15m；网架起坡1/15，两侧高度2.4m，中部高度3.6m(见图1)。湖南沉陵五强溪水电站厂房网架也是采用正放四角锥起坡结构形式。

图1 厂房屋盖推荐方案

2、网架厂房结构的横向刚度分析

2.1 方案、计算工况及网架支承

2.1.1 计算方案与结构尺寸

原计算采用了三种结构形式：一为封闭式上下实体墙结构；二是上游为实体承重墙，下游为梁柱结构；三是上游为实体墙，下游为墙柱混合结构。经三方案位移与应力分析，专家组认为实体墙方案对抗震有利，工程投资增加亦有限，施工简单。最后准备采用第一方案即封闭式上下实体墙结构方案。本文计算的上下游实体墙结构方案的结构尺寸是1997年3月长江委设计院寄来的综合了各专家组论证报告中的结构尺寸，如图2所示。水轮机层至大桥机牛腿顶面(767.0 ～93.3m)上游墙厚为2.2m，下游墙厚为2.0m。大桥机牛腿顶面至网架下弦(V93.3～111.0m)上下墙厚度均为1.5m。在计算中考虑到发电机层(V75.3m)混凝土板的约束作用(要求发电机层楼板和风罩结构再适当加厚，并与上下游墙联成整体以增加刚度和强度)，将其简化为水平链杆约束，然后对电站厂房网架讲行整体分析。单元划分见图3。对墙用三维8节点线性实体单元进行模拟，对网架结构并用三维桁架杆单元进行模拟并与三维实体单元相粘合。共划分三维实体元2098个，节点2335个；三维指架元1224个，网架节点338个。

2.1.2 计算工况及荷载组合

网架计算只考虑运行期，不考虑施工期。

运行期上部结构主要荷载有大桥机起吊最大部件(发电机转子约重22000kN)时的厂房所承受的轮压、刹车力，以及风压力、屋面荷载等。计算厂房侧向位移时，认为结构自重引起的位移已经形成，不考虑厂房墙结构的自重影响。

荷载组合最不利的是以下两种计算工况：

(1)当大桥机起吊最大部件发电机转子、小车处在机组中心线附近位置横向移动时刹车，刹车力指向下游。

(2)大桥机运行工况及小车位置与(1)相同，但刹车力指向上游。若再考虑风压力，则荷载组合如下：

工况①

上游墙轮压P=1000kN(两台桥机联合起吊，每侧24 轮子)；刹车力(每个轮子54.5kN，方向指向下游)。

下游墙轮压P=900kN，作用在大桥机的吊车梁上；刹车力54.5kN(方向指向下游)。

网架自重网架顶部系均布荷载(包括屋面板，屋面活荷载、雪荷载)按5000N/m2计算，并且将屋面均布荷载转换成网架节点的集中荷载。

工况②

主要荷载除刹车力方向与工况①相反外，还考虑风压力(按一个机组段在82～111m高程范围内作用有300N/m2风荷载)，而其余荷载均与工况①相同。

2.1.3 网架支承情况

保证厂房结构的侧向刚度是一个关键问题。网架的支承情况对厂房侧向刚度影响很大。为此，着重研究和比较了网架三种支承情况对厂房侧向刚度的影响：

①上、下弦铰支(网架在上弦和下弦都与墙铰接)；

②下弦铰支(网架只在下弦与墙铰接)；

③下弦简支(网架下弦有一端允许水平滑动)。

计算结果表明：“下弦铰支”方式不能满足厂房侧向刚度的要求，“下弦简支”情况更差，而“上、下弦铰支”可显著提高厂房结构的侧向刚度。

2.2 各项荷载和温度对位移的影响

在各分项荷载作用下机组段中部位移值见表1。

(1)对结构水平位移起第一位作用的是横刹制动力。除个别情况外，上游墙的位移均较下游墙大，说明整体刚度上游墙要弱于下游墙。

(2)对结构体水平位移起第二位作用的是屋面荷载及网架自重。水平位移是朝外的(指向厂房的外面)。上下游相对值较大，而小桥牛腿顶面上下游位移相对值(8.97mm)已经接近水电站厂房规范限值。若采用网架结构，屋面计算的荷载5000N/m2是偏大的，实际位移应比表1中计算值要小一些。

屋面荷载及网架自重产生的位移均是上游墙大于下游墙(指绝对值)，从垂直荷载方面再一次说明上游墙的整体刚度要弱于下游墙。

(3)对水平位移起第三位作用的是大桥行走时垂直轮压及考虑温度变化时增加的位移(温度变化考虑温度增加20℃及减少20℃)垂直轮压产生的水平位移是朝内的，是和屋面荷载产生的位移相抵消的，是有利的位移因素。

温度变化产生的位移总是一种不利因素，工况②加温度增加20℃及减少20℃，上下游墙小桥牛腿顶面均超过水电站设计规范(试行本SD335-89)10mm的限值，而此时大桥牛腿顶面上下游墙均不超过规范限值。与此同时的工况是大桥机行走，小桥机并不工作，规范限值是限定大桥牛腿顶面位移值，还是大小桥牛腿顶面位移值都限定，这点还待研究确定。

温度变化产生的位移总是一种不利因素，工况②加温度增加20℃及降低20℃时上下游墙小桥牛腿顶面均超过规范限值。

(4)对水平位移起第四位作用的是指向上游的风压力，而风压力产生的位移较小，影响不大，不是重要因素。

(5)网架结构最大挠度发生在工况②及温度减少20°的计算工况下，其值为58.63mm，小于网架结构的容许挠度(145.2mm)，表明本网架结构有较好的竖向刚度。

3、校核网架结构内力

前面通过网架结构的选型，确定了网架结构式及尺寸，初步选定杆件截面大小(见表2杆件选型表)，并对每种工况下每个杆件应力进行校核。

上弦杆件、下弦杆件、腹杆的最不利内力分别示于表3、表4、表5。表中杆件编号见图4。

拉杆控制应力设计值[σ]=215N/mm²，表中均没列出。

表3～5中：

工况①1-1 屋面荷载+大桥行走+横刹指向上游

1-2 屋面荷载+大桥行走+横刹指向下游

1-3 屋面荷载+大桥行走+横刹指向上游+温度增加20℃

1-4 屋面荷载+大桥行走+横刹指向下游+温度增加20℃

1-5 屋面荷载+大桥行走+横刹指向上游+温度减少20℃

1-6 屋面荷载+大桥行走+横刹指向下游+温度减少20℃

其中最不利的是工况1-4，取其数据作为工况①的代表。

工况②2-1 屋面荷载+大桥行走+风压指向上游+横刹指向上游

2-2 屋面荷载+大桥行走+风压指向下游+横刹指向上游

其中最不利的是工况2-1，取其数据作为工况2的代表。

工况③3-1 屋面荷载+大桥行走+风压指向下游+横刹指向下游

3-2 屋面荷载+大桥行走+风压指向上游+横刹指向下游

其中最不利的是工况3-1，取其数据作为工况②的代表。

(1)该结构方案除了在计算工况②作用下的下弦杆杆件编号1(见图4)中的两根杆件不满足压杆控制应力外，其余杆件均满足拉、压杆控制应力。腹杆和下弦杆跨中杆件均有较大富裕，杆件截面厚度还可减薄，从而节约钢材。

上述杆件编号1计算应力超出度为0.94%，在允许范围内，杆件截面不需要调整。

从表3～表5可以看出，三种计算工况，所设计的杆件截面均能满足网架杆件应力的要求。

(2)不同工况网架杆件应力变化均不大，即网架杆件应力对厂房结构及荷载工况不敏感，杆件应力稳定性好。不同工况下，弦杆的应力变化较腹杆明显，边侧杆的应力变化较跨中杆件明显，下弦杆的应力变化较上弦杆明显。

注：n 为下弦杆编号1-6

(n) 为上弦杆编号(1)-(6) 下弦平面下弦平面

{n} 腹杆编号{1}-{6}腹杆上弦

[n] 杆件截面类型编号[1]-[5]

图4 杆件选型图

4、结语

在计算、对比、分析和调研的基础上，从网架选型、网架厂房结构整体刚度分析、网架应力分析等方面提出以下看法和建议。

(1)在网架选型方面，经过多种形式的分析比较，最后推荐正放四角锥、两面起坡网架形式。

(2)为了提高厂房结构侧向刚度，满足关于位移限值的要求，着重研究和比较了网架三种支承方式对厂房侧向刚度的影响。计算分析的结果表明：“上、下弦铰支”方式可显著提高厂房结构的整体刚度，因此建议优先采用“上、下弦铰支”的支承方式。

(3)由于下游副厂房对下游墙的刚度起加强作用，因此厂房结构的计算结果表明，上游墙的整体刚度弱于下游墙的整体刚度。

发电机层混凝土板(775.3m)对厂房墙体起水平约束作用，实际上对墙体侧向刚度起加强作用。因此，进行厂房结构整体分析时，在上、下游墙体的75.3m高程处加设水平链杆约束的计算简图是合理的。

计算结果表明：大桥机牛腿顶面处的绝对和相对水平位移都能满足水电站厂房关于位移限值的要求。

(4)在各项荷载和温度变化作用下，对厂房结构水平位移起第一位作用的是横刹制动力，起第二位作用的是屋面荷载及网架自重，起第三位作用的是大桥垂直轮压及温度变化，起第四位作用的是风荷载。

(5)网架结构的最大挠度不超过《网架结构设计与施工规程》的限值，本网架结构有较强的竖向刚度。

(6)网架端部节点的水平反力所带来的不利影响，通过加设水平支座可以达到力的平衡。

[作者简介]

张铜生 男 清华大学土木系教授

北京市 100084

龙志飞 男 中国矿业大学副教授